CN1777013A - 一种光热驱动微马达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光热驱动微马达。它具有脉冲光源系统和转动系统，脉冲光源系统具有依次设置的激光器、电光晶体、偏振盘，电光晶体由脉冲信号发生模块和放大回路控制，转动系统具有和膨胀臂、摩擦片、同轴转子和压簧片，膨胀臂一端固定，另一端与摩擦片相粘合，压簧片一端固定，另一端和一弹簧相连，转子与压簧片、摩擦片相接。本发明的优点是马达输出步距小、速度高，直接由激光驱动，不需导线连接，因而结构相对独立，易于马达的微小化，便于将驱动器置于封闭空间(如真空腔)，并可实现较远距的自由控制。可望在众多科技与工业领域得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光热驱动微马达，用于微纳米技术领域高速、小步距驱动。
背景技术
近年来，科学技术发展的一个重要趋势是朝快速度、大容量和微型化方向飞速迈进。其中尤以微/纳米技术、微型机械技术、光学与光电子技术等的发展为主要代表。在许多特殊领域，需要采用特种性能的电机(或称马达)作为动力源和运动源。如在光学与精密机械系统中用于元器件的精确驱动和定位的马达，要求速度高、响应快、尽可能小型化；在航天器和空间卫星上采用的电机，既要求力矩大、效率高，又要求重量轻、体积小、寿命长；在微/纳米技术领域，除了力矩大、响应快和小型化等要求外，还需要马达有十分微小的步距或转角。现有的马达技术主要有电磁感应电机、静电马达、超声波电机、压电陶瓷冲击式驱动马达或机构等，均有各自的优缺点。电磁感应电机力矩大、速度快，但线圈损耗大、不易小型化；静电马达直接利用静电力驱动转子，可小型化，缺点是力矩较小，定子与转子间的摩擦及噪音较大，往往需要将马达浸泡在油液中运转。超声波电机是近年发展起来的新型特种马达，之后国内外又开展了表面声波马达的研究。应该指出，上述电机或马达都需要通过导线与外部的低压乃至高压控制源相连，马达主体尺寸虽然较小，但总体结构不易微小化；同时，导线连接也制约了它们的应用范畴。例如，由于控制导线的存在使之无法工作于真空中，也无法实现远距离或细小管道内等特殊环境下的操控。
因此，不断探索新的驱动源及驱动方法，发展综合性能好、易于微小化的驱动系统，十分必要和迫切。近年来，我们提出采用激光作为驱动源的光热驱动新思想，研究微/纳米尺度下光热膨胀与光热驱动的机制，发展步距小、速度高、易于微小化、可实现无导线控制的微小型光热驱动马达技术及系统，拓展微特马达技术的新方向，为广泛的科技和工业领域提供应用基础。就激光的热能而言，军事上采用高能激光作为武器摧毁目标，工业上则用它进行金属切割或作激光热处理，而光热光谱技术则可应用于薄膜表面物理特性的测量，此外，激光热能还在生物医学领域得到了应用。但是，在微/纳米尺度对激光与固体物质相互作用的研究，特别是对光致热膨胀及其驱动机理的应用基础研究还很欠缺，目前，国内外也尚无同类微小型光热驱动马达的机理和方法研究的文献报道。
发明内容
本发明涉及的目的是提供一种光热驱动微马达。
它具有脉冲光源系统和转动系统，脉冲光源系统具有依次设置的激光器、电光晶体、偏振盘，电光晶体由脉冲信号发生模块和放大回路控制，转动系统具有和膨胀臂、摩擦片、同轴转子和压簧片，膨胀臂一端固定，另一端与摩擦片相粘合，压簧片一端固定，另一端和一弹簧相连，转子与压簧片、摩擦片相接。
所述的脉冲信号发生模块采用555芯片作为振荡器。放大回路的电路为：输入隔离器依次与加法器、中间放大级、高压放大级、反馈回路、加法器相接，高压放大级与保护电路相接。
本发明的光热驱动微马达，用聚焦激光束的脉冲快速照射膨胀臂，因光热膨胀效应，膨胀臂急速伸长，而转子由于惯性仍静止，之后撤去激光脉冲，膨胀臂以相对较慢速度冷却收缩，因摩擦面处摩擦力的作用，转子被带动着转动一个步距。转动的步距与膨胀臂的光热膨胀量相当。如此周期性地施加快速激光脉冲，转子将以微小步距和较高速度旋转。这种马达的优点是步距小、速度高，直接由激光驱动，不需导线连接，因而结构相对独立，易于马达的微小化，便于将驱动器置于封闭空间(如真空腔)，并可实现较远距的自由控制。可望在众多科技与工业领域得到广泛应用。
附图说明
图1是光热驱动微马达的结构平面示意图；
图2是本发明的脉冲信号发生模块电路图；
图3是本发明的放大回路电路图。
具体实施方式
本发明采取将激光技术、微/纳米技术和微特马达技术相结合的研究方法。利用微/纳米尺度光热效应使固体材料产生热膨胀，直接实现对马达的驱动。
图1所示，光热驱动微马达具有脉冲光源系统1和转动系统2，脉冲光源系统1具有依次设置的激光器3、电光晶体4、偏振盘5，电光晶体4由脉冲信号发生模块6和放大回路7控制，转动系统2具有和膨胀臂8、摩擦片9、同轴转子10和压簧片11，膨胀臂8一端固定，另一端与摩擦片9相粘合，压簧片11一端固定，另一端和一弹簧相连，转子10与压簧片11、摩擦片9相接。
由电光晶体(LiNbo3)和偏振盘构成一个电光开关。偏振盘的偏振方向设计成和激光器出射的激光偏振方向垂直。通过脉冲信号发生模块产生一个脉冲电压，经过放大器放大后施加到电光晶体上，使经过电光晶体的光的振动方向产生偏转。当脉冲电压输出一个半波电压，激光经过电光晶体后偏转π/2，和偏振盘的振动方向一致，光经过偏振盘后可无损失地投射到膨胀臂上，使膨胀臂受热而快速膨胀；而当脉冲电压为0时，从激光器射出的偏振光无偏转地通过电光晶体，和偏振盘偏振方向垂直，故经过偏振盘后没有光投射到膨胀臂上。
如图2所示，脉冲信号发生模块6采用555芯片作为振荡器，通过调节R1和R2来调节高电平时间和低电平时间(即占空比)以及转速(频率)大小，参数优化设计后输出一个脉冲宽度远小于脉冲周期的电压脉冲，再经过高压放大回路输出一个高电平电压等于电光晶体半波电压的周期性电压脉冲来控制电光晶体，从而把激光调制成一个周期性的激光脉冲并确保膨胀速度大于冷却速度。膨胀臂一端固定，另一端与摩擦片相粘合，在激光脉冲的照射下，快速伸长和缓慢收缩。压簧片一端固定，另一端和一弹簧相连，使得转子和摩擦片较紧密地接触。当膨胀臂快速伸长时，转子由于惯性保持静止，而当膨胀臂缓慢收缩时，由于摩擦片和转子之间的摩擦力带动转子逆时针方向转动一个步距。转动的步距与膨胀臂的光热膨胀量相当。如此周期性地施加快速激光脉冲，转子将以微小步距和较高速度旋转。输出步长可以通过改变激光功率在小范围调节，或通过改变热膨胀臂的材料做大范围调节，范围可以从纳米级到微米级。
如图3所示，放大回路7的电路为：输入隔离器依次与加法器、中间放大级、高压放大级、反馈回路、加法器相接，高压放大级与保护电路相接。
Claims (3)
1.一种光热驱动微马达，其特征在于它具有脉冲光源系统(1)和转动系统(2)，脉冲光源系统(1)具有依次设置的激光器(3)、电光晶体(4)、偏振盘(5)，电光晶体(4)由脉冲信号发生模块(6)和放大回路(7)控制，转动系统(2)具有和膨胀臂(8)、摩擦片(9)、同轴转子(10)和压簧片(11)，膨胀臂(8)一端固定，另一端与摩擦片(9)相粘合，压簧片(11)一端固定，另一端和一弹簧相连，转子(10)与压簧片(11)、摩擦片(9)相接。
2.根据权利要求1所述的一种光热驱动微马达，其特征在于所述的脉冲信号发生模块(6)采用555芯片作为振荡器。
3.根据权利要求1所述的一种光热驱动微马达，其特征在于所述的放大回路(7)的电路为：输入隔离器依次与加法器、中间放大级、高压放大级、反馈回路、加法器相接，高压放大级与保护电路相接。
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